螺紋樁豎向承載特性研究

王國才1，趙志明1，奚靈智，莊迎春

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.中國電建集團 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展完善，樁基礎(chǔ)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，出現(xiàn)了一些新型的變截面樁，如擠擴支盤樁、楔形樁和擴底樁等[3-5]。螺紋樁作為一種新型的變截面樁，利用其外圍螺紋與土的機械咬合作用達到提高承載力、減小沉降變形、節(jié)約工程材料等目的，近年來在國內(nèi)外一些工程實踐中得到了應(yīng)用[6-8]。但是，由于螺紋樁空間形態(tài)復(fù)雜，樁-土相互作用機理復(fù)雜，對螺紋樁承載性狀的研究已成為工程界和學(xué)術(shù)界的一大難點[9]。

為揭示螺紋樁的承載機理，近年來國內(nèi)外一些學(xué)者對其進行了相關(guān)研究。Elsherbiny等[10]通過現(xiàn)場靜載試驗和有限元模擬研究了螺旋樁在砂土中的豎向承載能力，提出了承載力折減系數(shù)和螺旋效率系數(shù)的概念，并將其用于評估砂土中螺旋樁豎向承載能力。Nabizadeh 等[11]通過現(xiàn)場靜載試驗就砂土中單、雙、三螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋樁的豎向承載能力展開研究，結(jié)果表明三螺旋的螺旋樁豎向承載能力低于雙螺旋的螺旋樁。孟振等[12]通過室內(nèi)模型試驗研究了砂土中螺紋樁豎向承載特性，發(fā)現(xiàn)相同條件下螺紋樁的極限承載力約為等截面圓樁的1～4倍。楊啟安等[13]通過理論分析并結(jié)合實際工程對螺紋樁螺紋段側(cè)阻等效增強系數(shù)進行研究，提出螺紋樁螺紋段側(cè)阻增強系數(shù)約為1.3～2.0。徐學(xué)燕等[14]采用數(shù)值方法對螺紋樁承載性能進行研究，并結(jié)合現(xiàn)場靜載試驗，提出了螺紋樁承載力計算公式。李成巍等[15]采用室內(nèi)模型試驗和數(shù)值分析相結(jié)合的方法研究了螺紋樁豎向承載機理，表明螺紋樁承載能力取決于土體抗剪強度，承載力達到極限值時，樁周土體出現(xiàn)豎向剪切帶。周楊等[16]通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬研究了變截面螺紋樁的豎向承載特性，表明變截面螺紋樁的螺紋結(jié)構(gòu)及圓臺形樁身能大幅度提高側(cè)摩阻力。熊建[17]采用Midas GTS軟件研究了兩段式變截面螺紋樁復(fù)合地基豎向承載特性，分析了承載力的影響因素。為進一步分析螺紋樁的豎向承載特性，筆者采用三維非線性Abaqus有限元軟件對豎向荷載作用下螺紋樁進行三維建模與分析，分析了距徑比S/D(螺距/樁內(nèi)徑)、螺紋寬度B、螺紋內(nèi)外厚度比Hout/Hin、樁周土及樁端土等因素對其承載特性的影響，所得結(jié)論對豎向荷載作用下螺紋樁的設(shè)計、計算與施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 螺紋樁豎向承載特性分析

1.1 有限元模型的建立

螺紋樁由內(nèi)部光圓樁芯與外部螺紋組成，其構(gòu)造如圖1所示。為研究螺紋樁豎向承載特性，采用非線性有限元軟件Abaqus建立了三維數(shù)值模型(圖2)。由于螺紋樁在實際抗壓過程中樁體本身很少發(fā)生塑性破壞，一般處于彈性變形階段，因此在建模時螺紋樁定義為線彈性材料，地基土定義為Mohr-Coulomb彈塑性材料，外部螺紋與內(nèi)部樁芯定義為綁定(Tie)，整個螺紋樁與樁周土體定義為接觸(Contact)。在所有樁-土接觸關(guān)系中，切向行為均設(shè)置為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)按照文獻[18]進行計算，法向行為均設(shè)置為硬接觸(Hard contact)，并設(shè)定接觸發(fā)生之后接觸面可以分離。考慮土體自重產(chǎn)生的初始地應(yīng)力場，初始地應(yīng)力通過“Predefined Field”進行定義。采用耦合約束將樁頂約束至樁頂圓心處的參考點，通過在參考點上施加豎向位移，并監(jiān)測參考點每一分析步的反力變化，得到Q—S曲線。筆者選取《螺紋樁技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 379—2016)[19]中6號螺紋樁作為基準(zhǔn)樁進行數(shù)值建模，基準(zhǔn)樁樁身參數(shù)詳見表1。為和等截面圓樁進行對比，還建立了直徑分別為377.0 mm和550.0 mm的等截面圓樁的計算模型，土層(自上而下分布)和樁體參數(shù)與螺紋樁數(shù)值模型保持一致，具體取值見表2。

圖1 螺紋樁構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic diagram of thread pile

圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model

表1 基準(zhǔn)螺紋樁幾何尺寸Table 1 Reference thread pile geometry

表2 土層和樁體參數(shù)Table 2 Parameters table of soil and pile

1.2 計算結(jié)果及分析

1.2.1Q—S曲線

圖3給出了基準(zhǔn)螺紋樁、直徑分別為377.0 mm和550.0 mm等截面圓樁的樁頂荷載—沉降Q—S曲線。由圖3可知：相比較于等截面圓樁，螺紋樁Q—S曲線總體屬于陡降型，且陡降點發(fā)生在樁頂沉降約為20 mm處。當(dāng)樁頂荷載較小時，3 組樁相同荷載作用下對應(yīng)的沉降差別很小，隨著樁頂荷載的增大，3 組樁對應(yīng)的沉降差別也隨之增大。當(dāng)樁頂荷載為1 500 kN時，基準(zhǔn)螺紋樁的沉降為6 mm，直徑為550.0 mm等截面圓樁的沉降為27 mm，直徑為377.0 mm等截面圓樁的沉降為54 mm?？梢姡噍^于等截面圓樁，螺紋樁能夠大幅度減小樁頂沉降。由圖3可知：基準(zhǔn)螺紋樁極限承載力為3 460 kN，直徑為550.0 mm等截面圓樁極限承載力為1 844 kN，直徑為377.0 mm等截面圓樁極限承載力為1 247 kN。可見，螺紋樁由于外圍螺紋的存在使得其承載力高于等截面圓樁，且螺紋樁極限承載力約為與其外徑相等的等截面圓樁極限承載力的1.88倍，約為與其內(nèi)徑相等的等截面圓樁極限承載力的2.77倍。

圖3 荷載—沉降曲線Fig.3 Load-settlement curves

1.2.2 樁身軸力

圖4是不同樁頂荷載作用下的基準(zhǔn)螺紋樁樁身軸力分布曲線。由圖4可知：樁身軸力沿深度方向從上到下逐漸遞減；隨著樁頂荷載的增大，距樁頂中心相同距離位置處的樁身軸力也相應(yīng)增大，且距樁頂中心距離越大，相應(yīng)軸力增大幅度越小。不同樁頂荷載作用下樁端阻力值相差非常小，阻力幾乎為零。這說明螺紋樁屬于典型的摩擦型樁，相比較于樁端阻力，樁側(cè)摩阻力在樁基極限承載力中所占比例很高，這也驗證了螺紋樁由于螺紋的存在，大大增加了螺紋樁的樁側(cè)摩阻力。

圖4 螺紋樁樁身軸力分布曲線Fig.4 Axial force of thread pile distribution curves

1.2.3 樁側(cè)摩阻力

考慮到螺紋樁樁身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在樁身側(cè)摩阻力計算時對其進行了簡化處理[20]，將螺紋與樁周土體的咬合力跟樁身主體的側(cè)摩擦力統(tǒng)一換算成樁身等效側(cè)摩阻力，根據(jù)靜力平衡理論，樁側(cè)等效側(cè)摩阻力為

(1)

式中：τ為樁側(cè)等效側(cè)摩阻力；Q上、Q下分別表示樁身受力分析段上、下端阻力；h表示受力分析段長度；D′為螺紋樁外徑。

圖5為不同樁頂荷載作用下基準(zhǔn)螺紋樁樁側(cè)等效側(cè)摩阻力分布曲線。由圖5可知：不同樁頂荷載作用下，樁側(cè)等效側(cè)摩阻力分布曲線的“形狀”基本保持一致，并且其值隨著樁頂荷載的增加而逐漸增大，增加幅度與樁身位置緊密相關(guān)；在螺紋樁中點以上部分等效側(cè)摩阻力的增加幅度越來越小，而螺紋樁中點以下部分的等效側(cè)摩阻力增加幅度越來越大；荷載較小時，樁身上半部分側(cè)摩阻力大于下半部分，而當(dāng)荷載繼續(xù)增加時，樁身下半部分側(cè)摩阻力則大于上半部分。另外，從圖5可知：螺紋樁等效側(cè)摩阻力曲線在距樁頂中心1～2 m和8 m處存在明顯的拐點，這主要是由于數(shù)值模擬過程中地基土由3 層不同性質(zhì)的土體組成，而有限元模擬只能保證位移場連續(xù)，應(yīng)力場是位移場的導(dǎo)函數(shù)，原函數(shù)連續(xù)但其導(dǎo)函數(shù)不一定連續(xù)，土體材料發(fā)生變化時應(yīng)力場有可能發(fā)生突變，再加上筆者對等效側(cè)摩阻力的概念進行了相應(yīng)簡化處理，從而曲線出現(xiàn)了上述明顯的拐點。

圖5 螺紋樁側(cè)摩阻力分布曲線Fig.5 Thread pile lateral friction resistance distribution curves

2 影響因素分析

2.1 距徑比(S/D)的影響

為了分析距徑比S/D對螺紋樁豎向承載特性的影響，分別將距徑比S/D取為0，0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0和∞，其中S/D分別取0和∞時表示所對應(yīng)的樁分別為直徑為螺紋樁外徑和螺紋樁內(nèi)徑的等截面圓樁。在計算時，除螺距S設(shè)置不同外，其余參數(shù)取值均同表1及表2。

圖6是不同距徑比S/D下螺紋樁的Q—S曲線。從圖6可知：當(dāng)S/D從0增加到0.5時，螺紋樁極限承載力從1 844 kN增加到3 385 kN，增大了約84%；當(dāng)S/D分別為1.0和2.0時所對應(yīng)的極限承載力分別為3 458 kN與3 235 kN，與S/D=0.5所對應(yīng)的極限承載力值相差均在5%以內(nèi)；繼續(xù)增大S/D，螺紋樁極限承載力開始下降；當(dāng)S/D為5.0時，螺紋樁極限承載力為1 916 kN，當(dāng)S/D取∞時，其極限承載力為1 247 kN。說明當(dāng)S/D位于0.5～2.0之間時，螺紋樁承載力最高。因此，實際工程中螺紋樁S/D應(yīng)控制在0.5～2.0的范圍內(nèi)。

圖6 不同S/D下螺紋樁荷載—沉降曲線Fig.6 Load-settlement curves of thread pile under different S/D

2.2 螺紋寬度B的影響

螺紋寬度B會影響螺紋與土的機械咬合作用，進而影響螺紋樁豎向承載能力。為分析螺紋寬度B的影響，在基準(zhǔn)螺紋樁的基礎(chǔ)上，保持其余參數(shù)不變，依次將螺紋寬度B設(shè)置成36.5，61.5，86.5，111.5，136.5 mm，并進行數(shù)值計算，得到了不同螺紋寬度下螺紋樁的荷載—沉降曲線，其結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：隨著螺紋寬度B的增加，螺紋樁極限承載力相應(yīng)增大，但增加幅度不大。5組不同螺紋寬度下的螺紋樁極限承載力依次為3 310，3 387，3 460，3 531，3 692 kN，螺紋樁極限承載力與螺紋寬度B呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。螺紋寬度越大，極限承載力越大。因此在實際工程中，可根據(jù)需要選擇合適的螺紋寬度。

圖7 不同B下螺紋樁荷載—沉降曲線Fig.7 Load-settlement curves of thread pile under different B

2.3 螺紋內(nèi)外厚度比(Hout/Hin)的影響

螺紋內(nèi)外厚度比Hout/Hin也是螺紋樁樁身設(shè)計的一個重要參數(shù)。為分析Hout/Hin對螺紋樁承載性狀的影響，在基準(zhǔn)螺紋樁的基礎(chǔ)上，保持其余參數(shù)不變，通過改變螺紋內(nèi)外厚度，得到不同Hout/Hin下螺紋樁荷載—沉降曲線，其結(jié)果如圖8所示。在計算時，Hout/Hin依次取為20/120，60/160，60/120，60/80及100/120。由圖8可知：不同Hout/Hin下螺紋樁荷載—沉降曲線幾乎重合，螺紋樁極限承載力幾乎保持不變，說明Hout/Hin對螺紋樁極限承載力影響不大。這有可能是因為在S/D與B不變的情況下，Hout/Hin的變化基本上不影響螺紋與土的機械咬合作用，螺紋間土體體積變化量也很小。

圖8 不同Hout/Hin下螺紋樁荷載—沉降曲線Fig.8 Load-settlement curves of thread pile under different Hout/Hin

2.4 樁周土體性質(zhì)的影響

螺紋樁承載能力的發(fā)揮，不僅與螺紋樁樁身參數(shù)設(shè)計緊密相關(guān)，同時與樁周土體性質(zhì)有關(guān)。下面分別分析土體彈性模量、內(nèi)摩擦角以及黏聚力這3個參數(shù)對螺紋樁承載能力的影響。地基土通常呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)，為便于分析，可采用各層土體以厚度加權(quán)的彈性模量作為彈性模量特征值[21]，即

(2)

式中：Ei為第i層土體彈性模量；li為第i層土體厚度。

類似地，內(nèi)摩擦角及黏聚力采用加權(quán)平均法計算得到其特征值。對表2中土層的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角進行加權(quán)平均，得到土體彈性模量特征值為32 MPa、內(nèi)摩擦角特征值為13°以及黏聚力特征值為25 kPa。在分析樁周土體參數(shù)對螺紋樁承載力的影響時，保持其余土層參數(shù)不變，依次分別取彈性模量為16，24，32，40 MPa；黏聚力分別取為15，20，25，30 kPa和內(nèi)摩擦角為3°，8°，13°，18°，樁端土體參數(shù)采用表1中第3層土參數(shù)，螺紋樁幾何參數(shù)與基準(zhǔn)螺紋樁相同。圖9給出了不同樁周土體參數(shù)下螺紋樁Q—S曲線，從圖9可看出：樁周土彈性模量的變化對螺紋樁極限承載力的影響較小，而樁周土黏聚力與內(nèi)摩擦角對螺紋樁極限承載力影響較大，這主要是因為螺紋樁達到極限承載力時，樁周土發(fā)生剪切破壞，而土的剪切強度主要由內(nèi)摩擦角及黏聚力所決定。因此在工程實踐中，針對土質(zhì)較差的情況，可以考慮在螺紋樁四周換填強度高的土體，從而增大其極限承載力。

圖9 不同樁周土體參數(shù)下螺紋樁荷載—沉降曲線Fig.9 Load-settlement curves of thread pile under different strengths of soil around pile

2.5 樁端土體性質(zhì)的影響

類似地，在研究樁端土某一參數(shù)對螺紋樁承載力的影響時，保持其余兩個土體參數(shù)不變，依次分別取樁端土彈性模量為26，34，42，50 MPa，黏聚力分別為20，25，30，35 kPa，內(nèi)摩擦角分別為5°，10°，15°，20°，計算得到不同參數(shù)下的螺紋樁的承載力。計算時，樁周土參數(shù)選用2.4節(jié)中加權(quán)平均得到的土參數(shù)特征值，螺紋樁幾何參數(shù)與基準(zhǔn)螺紋樁一致。圖10給出了不同樁端土體參數(shù)下螺紋樁的Q—S曲線，從圖10中可看出：僅樁端土彈性模量和內(nèi)摩擦角對螺紋樁極限承載力有一定影響，但影響不大，黏聚力對極限承載力的影響幾乎可以忽略。螺紋樁是一種典型的摩擦型樁，樁端阻力對極限承載力的貢獻十分有限。因此工程應(yīng)用中，應(yīng)重點關(guān)注樁周土體性質(zhì)。

圖10 不同樁端土體參數(shù)下螺紋樁荷載—沉降曲線Fig.10 Load-settlement curves of thread pile under different strengths of pile end soil

3 結(jié) 論

螺紋樁外圍螺紋的存在改變了樁-土的相互作用。螺紋與樁周土體的機械咬合作用使樁側(cè)阻力得到很大提高，其極限承載力約為與其外徑相等的等截面圓樁極限承載力的1.88倍，約為與其內(nèi)徑相等的等截面圓樁極限承載力的2.77倍。螺紋間距對樁體豎向承載力的影響很大。當(dāng)S/D較小時，螺紋樁極限承載力隨S/D的增大而增大；當(dāng)S/D較大時，螺紋樁極限承載力隨S/D的增大而減小，并在S/D為0.5～2.0時取得最大值。隨著螺紋寬度B的增加，螺紋樁極限承載力也相應(yīng)增加，但增幅并不大?？紤]到螺紋寬度的增加必然會導(dǎo)致工程造價以及施工難度的增大，實際工程應(yīng)用時可根據(jù)需要選擇合適的螺紋寬度。當(dāng)S/D與B保持不變時，Hout/Hin的變化基本不影響外圍螺紋與樁周土體的機械咬合作用，導(dǎo)致螺紋樁極限承載力與Hout/Hin的大小關(guān)系不大，實際工程中可根據(jù)施工難易程度合理選取Hout/Hin的值。螺紋樁屬于典型的摩擦型樁，樁體處于極限承載力狀態(tài)時，樁周土體會發(fā)生剪切破壞。相較于樁端土體而言，樁周土體性質(zhì)對其豎向承載力的影響更大，因此在工程實踐中，應(yīng)重點關(guān)注樁周土體的性質(zhì)。當(dāng)土質(zhì)較差時，可考慮在螺紋樁四周換填強度高的土體或通過夯實樁周土體等措施來增大其豎向承載力。